western interconnection flexibility assessment · 2016-01-14 · 101 montgomery street, suite 1600...

42
Western Interconnection Flexibility Assessmen t Executive Summar y December 2015

Upload: others

Post on 14-Jul-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

 

 

 

 

   

Western Interconnection Flexibility Assessment

Executive Summary

December 2015 

Page 2: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

   

Page 3: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

   © 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

 

  

 

 

 

 

 

 

© 2015 Copyright. All Rights Reserved. 

Energy and Environmental Economics, Inc. 

101 Montgomery Street, Suite 1600 

San Francisco, CA 94104 

415.391.5100 

www.ethree.com 

 

Project Team:

Nick Schlag, Arne Olson, Elaine Hart, Ana Mileva, Ryan Jones (E3) 

Carlo Brancucci Martinez‐Anido, Bri‐Mathias Hodge, Greg Brinkman, Anthony Florita, 

David Biagioni (NREL)

Western Interconnection Flexibility Assessment

Executive Summary

December 2015 

Page 4: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

 

 

Page 5: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

   P a g e  | i |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

About this Study

This  study  was  jointly  undertaken  by  the  Western  Electricity  Coordinating 

Council (WECC) and the Western Interstate Energy Board (WIEB) to  investigate 

the  need  for  power  system  flexibility  to  ensure  reliable  and  economic 

operations  of  the  interconnected  Western  electricity  system  under  higher 

penetrations of variable energy resources. WECC and WIEB have partnered with 

Energy  &  Environmental  Economics,  Inc.  (E3)  and  the  National  Renewable 

Energy  Laboratory  (NREL)  to  investigate  these  questions  using  advanced, 

stochastic  reliability modeling  and  production  cost modeling  techniques.  The 

study  identifies  and  examines  operational  challenges  and  potential  enabling 

strategies for renewable integration under a wide range of operating conditions, 

scenarios, and sensitivities across the Western Interconnection, with the goal of 

providing guidance  to operators, planners,  regulators and policymakers about 

changing system conditions under higher renewable penetration. 

Funding  for  this  project  is  provided  by  a  number  of  sources.  E3’s  role  in  the 

project  is funded  jointly by WECC and WIEB through grants received under the 

Department  of  Energy’s  American  Recovery  and  Reinvestment  Act  (ARRA); 

NREL’s role is funded directly by the Department of Energy. 

Technical Review Committee

This  study was  overseen  by  a  Technical  Review  Committee  (TRC)  comprising 

representatives from utilities, regulatory agencies, and industry throughout the 

Western Interconnection: 

Page 6: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 P a g e  |  ii | 

Aidan Tuohy, Electric Power Research Institute 

Ben Kujala, Northwest Power Planning & Conservation Council 

Brian Parsons, Western Grid Group 

Dan Beckstead, Western Electricity Coordinating Council 

Fred Heutte, Northwest Energy Coalition 

James Barner & Bingbing  Zhang,  Los Angeles Department of Water & 

Power  

Jim Baak, Vote Solar Initiative 

Justin Thompson, Arizona Public Service 

Keith White, California Public Utilities Commission 

Michael Evans, Shell Energy North America 

Thomas Carr, Western Interstate Energy Board 

Thomas Edmunds, Lawrence Livermore National Laboratory 

Tom Miller, Pacific Gas & Electric Company 

The TRC met a number of times throughout the course of the project to provide 

input and guidance on technical modeling decisions, to help  interpret analysis, 

and to craft the study’s ultimate findings and conclusions. The feedback of the 

TRC throughout the project was highly valuable to the project. 

Page 7: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | iii |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

Executive Summary

Background

Over the past decade, the penetration of renewable generation in the Western 

Interconnection has grown rapidly: nearly 30,000 MW of renewable generation 

capacity—mostly solar and wind—have been built. By 2024, under current state 

policies,  the  total  installed  capacity  of  renewable  generation  in  the Western 

Interconnection may exceed 60,000 MW. In front of this landscape of increasing 

renewable policy  targets and declining  renewable costs,  interest  in  renewable 

generation  and  understanding  its  impacts  on  electric  systems  has  surged 

recently. Regulators, utilities, and policymakers have begun to grapple with the 

potential need for power system “flexibility” to ensure reliable operations under 

high penetrations of renewable generation. 

The Western Electricity Coordinating Council (WECC), in its role as the Regional 

Entity responsible for reliability in the Western Interconnection, is interested in 

understanding  the  long‐term  adequacy of  the  interconnected western  grid  to 

meet the new operational challenges posed by wind and solar generation across 

a range of plausible levels of penetration. WECC stakeholders have expressed a 

similar interest through study requests to examine high renewable futures that 

that  implicate  operational  and  flexibility  concerns.  The  Western  Interstate 

Energy  Board  (WIEB)  seeks  to  understand  these  issues  in  order  to  inform 

Page 8: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  iv | 

policymakers about the implications of potential future policies targeting higher 

renewable penetrations. 

With this motivation, WECC and WIEB collaborated to jointly sponsor this WECC 

Flexibility Assessment.  The sponsors established three goals for this effort: 

Assess the ability of the fleet of resources in the Western

Interconnection to accommodate high renewable penetrations while

maintaining reliable operations. Higher  penetrations  of  renewable 

generation will test the flexibility of the electric systems of the West by 

requiring  individual  power  plants  to  operate  in  fundamentally  new 

ways, changing operating practices as well as the dynamics of wholesale 

power  markets.  This  study  aims  to  identify  the  major  changes  in 

operational patterns  that may occur at  such high penetrations and  to 

measure the magnitude and frequency of possible challenges that may 

result.

Investigate potential enabling strategies to facilitate renewable

integration that consider both institutional and physical constraints on

the Western system. Existing  literature has  identified a wide  range of 

possible  strategies  that  may  facilitate  the  integration  of  high 

penetrations  of  renewables  into  the Western  Interconnection.  These 

strategies comprise both  institutional changes—for example,  increased 

use  of  curtailment  as  an  operational  strategy  and  greater  regional 

coordination in planning and operations—as well as physical changes to 

the electric  system—new  investments  in  flexible  generating  resources 

and  the  development  of  new  demand  side  programs.  This  study 

examines  how  such measures  can mitigate  the  challenges  that  arise 

with interconnection‐wide increases in renewable penetration.

Provide lessons for future study of system flexibility on the relative

importance of various considerations in planning exercises. The study 

Page 9: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | v |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

of flexibility and  its need at high renewable penetrations  is an evolving 

field.  This  effort  is  designed with  an  explicit  goal  of  providing  useful 

information  to modelers  and  technical  analysts  to  improve  analytical 

capabilities for further investigation into the topics explored herein.

Assessment Methods

This study is organized into two sequential phases of analysis. The first phase, a 

resource adequacy assessment of the generation fleet, uses traditional  loss‐of‐

load‐probability  techniques  to  ensure  that  the  electric  system  adheres  to  a 

traditional “one‐day‐in‐ten‐year” planning standard for loss of load. The second 

phase,  the  flexibility  assessment,  uses  stochastic  production  cost  analysis  to 

examine the degree to which operational challenges are encountered with the 

additional  of  renewables  to  the  system.  By  nesting  the  flexibility  assessment 

within a traditional study of resource adequacy, the approach used in this study 

seeks to ensure that any challenges encountered in operations can be attributed 

to a lack of flexibility and are not simply the result of a system whose available 

capacity is inadequate to meet its peak demands. 

The  first phase of  the analysis uses E3’s Renewable Energy Capacity Planning

(RECAP) model,  a  loss‐of‐load  probability  (LOLP) model  designed  to  evaluate 

resource  adequacy  under  high  renewable  penetrations.  The  RECAP  analysis 

confirmed  that  the modeled  resources across  the  study area were  capable of 

meeting  or  exceeding  the  traditional  one‐in‐ten  loss  of  load  frequency 

Page 10: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  vi | 

standard.1  The  second  phase  uses  the Renewable Energy Flexibility (REFLEX) 

model for PLEXOS for Power Systems—an adaptation of traditional production 

cost  modeling  that  incorporates  principles  from  more  traditional  reliability 

analysis—to examine the impacts of high penetrations of renewable generation 

on  the operations of  these  resources. Production  simulation models are used 

for a variety of purposes, but the approach taken in this study has been tailored 

directly  to  the  examination  of  flexibility  challenges  under  high  renewable 

penetrations. 

While  loss‐of‐load  probability modeling  is  the  de  facto  standard method  for 

assessing  conventional  capacity  adequacy,  there  is  no  analogous  industry‐

standard approach for assessing the adequacy of flexibility in an electric system. 

A  number  of  approaches  have  been  explored,  and  a  variety  of metrics  have 

been  proposed  as  a  means  of  measuring  flexibility  adequacy—for  instance, 

“Expected Unserved Ramp.”2 While these metrics may be useful as indicators of 

power system  inflexibility, they are not directly actionable because there  is no 

standard  for  unserved  ramping  that  power  systems  are  required  to  meet. 

Rather  than  attempting  to  define  a  new metric,  the  REFLEX  production  cost 

modeling approach used in this study is designed to measure the consequences 

of inadequate flexibility, thereby illustrating a method through which actionable 

information can be provided to planners and decision‐makers. 

                                                            1 The results of the Phase 1 analysis, summarized in the body of this report, were also published as a standalone report  available  at:  http://westernenergyboard.org/wp‐content/uploads/2015/06/04‐2015‐WECC‐WIEB‐Flexibility‐Assessment‐Report‐Interim.pdf 2  See,  for  example,  EPRI’s  “Power  System  Flexibility Metrics:  Framework,  Software  Tool  and  Case  Study  for Considering  Power  System  Flexibility  in  Planning,”  available  at: http://www.epri.com/abstracts/Pages/ProductAbstract.aspx?productId=000000003002000331. 

Page 11: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | vii |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

In  traditional  LOLP  analysis,  the  consequence  of  inadequate  capacity  is 

straightforward: the system is incapable of simultaneously meeting all loads, so 

some loads cannot be served. This is measured using conventional metrics such 

as LOLP, Loss of Load Expectation (LOLE), and Expected Unserved Energy (EUE). 

Inadequate flexibility can also lead to loss of load, even for systems that would 

otherwise be resource adequate. For example, if a large portion of the thermal 

fleet is cycled off to accommodate high output from renewable generators, the 

system might not have adequate resources committed to meet a  large upward 

net  load  ramp  (this  is  illustrated  in Figure 1a). REFLEX  therefore  tracks EUE as 

one measure of power system inflexibility. 

However,  loss  of  load  can  be  avoided  through  prospective  curtailment  of 

renewable  generation  to  ensure  that  the  thermal  resources  required  to 

maintain  reliability  can  remain  online.  This  is  illustrated  in  Figure  1b, where 

renewable generation  is curtailed during the mid‐afternoon  in order to ensure 

that the system has sufficient operating capability to meet the evening ramp. In 

this way renewable curtailment  is both a key operational strategy  in flexibility‐

constrained  systems  and  is  also  the  primary  consequence  of  inadequate 

flexibility. 

Because  the  system operator has a choice between curtailing  renewables and 

curtailing  loads,  it needs a method for determining which strategy to use on a 

given  day.  Additional  information  is  therefore  needed  about  the  economic 

consequences of unserved  energy  and  curtailed  renewables.  This  information 

may come through market‐based bids provided by loads and renewable project 

operators. In the absence of market information, deemed values are used based 

on available literature.   

Page 12: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  viii | 

Studies typically, ascribe a high value of between $10,000 and $100,000/MWh 

of lost load. In contrast, the cost of renewable curtailment is effectively smaller 

by orders of magnitude. Out‐of‐pocket costs of curtailment  include O&M costs 

as well as any lost production tax credits. In addition, under a production quota 

such as an RPS, curtailed renewable generation must typically be replaced like‐

for‐like  in  order  to  ensure  compliance.  Thus,  the  cost  of  curtailment  is 

determined  by  the  “replacement  cost”  of  renewable  generation  (the  cost  of 

procuring an additional MWh of generation to “replace” the curtailed energy).  

In  this  study,  the  penalty  prices  assumed  for  loss  of  load  and  renewable 

curtailment are $50,000 and $100/MWh, respectively. The asymmetry between 

these penalties ensures that REFLEX will steer the system away from loss of load 

if  at  all  possible,  allowing  some  amount  of  curtailment  when  necessary  to 

ensure  that  the  system  has  adequate  operating  flexibility.  In  this  respect, 

renewable  curtailment  serves  as  the  “default  solution”  for  system  operators 

facing flexibility constraints, the relief valve with which an operator can ensure 

the electric system remains within an operable range. 

 

Page 13: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | ix |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

Figure 1. Tradeoff between upward and downward flexibility challenges

 

In  order  to  capture  an  adequately  broad  sample  of  operating  conditions  and 

possible flexibility constraints using this framework, this study uses Monte Carlo 

sampling  of  load,  wind,  solar,  and  hydro  across  a  wide  range  of  historical 

Page 14: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  x | 

conditions. Production cost model are typically used to analyze a single “typical” 

year  with  its  unique  set  of  load,  wind,  solar,  and  hydro  profiles.  This  study 

makes  use  of much  longer  historical  records  for  each  of  these  variables,  as 

summarized in Figure 2. Inputs for these variables are derived from a variety of 

sources:  load shapes based on historical weather conditions spanning a  thirty‐

year  period  are  created  using  a  neural  network  regression model; wind  and 

solar profiles are derived from NREL’s WIND and SIND Toolkits, respectively; and 

hydro data is based on a combination of actual and simulated historical data for 

Western hydro  systems obtained  from  the Energy  Information Administration 

(EIA)  and  the  Northwest  Power  and  Conservation  Council  (NWPCC).  Profiles 

from different periods are combined using a stratified sampling methodology to 

produce Monte Carlo “day draws” for production cost modeling. By adapting a 

technique  that  has  historically  been  used  in  LOLP  analyses,  this  approach 

captures a more  robust distribution of expected  long‐run  conditions  than any 

single historical year. 

Figure 2. Historical conditions incorporated into draws

 

2007

2007

1980

1970

2012

2008

2012

2012

1970 1980 1990 2000 2010

Load

Wind

Solar

Hydro

Page 15: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xi |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

Figure 3. Regions included in analysis.

The analytical  framework described above  is used  to evaluate  the  flexibility of 

five  regions within Western  Interconnection,  shown  in  Figure  3.  Each  region 

represents  a  portion  of  the  Western  Interconnection  with  relatively 

homogeneous  loads  and  resources,  some  existing  degree  of  coordination  in 

resource  planning  and/or  operations,  and  limited  internal  transmission 

constraints.3  In  the  study,  each  region  is  linked  to  its  neighbors with  a  zonal 

transmission model. One of the key simplifying assumptions of this approach is 

that  each  region  is  perfectly  coordinated  in  operations  internally,  effectively 

pools  all  of  its  generation  resources  to  balance  net  load without  regard  for 

existing contracts, ownership, or operational conventions. 

                                                            3 The Alberta Electric System Operator (AESO) and BC Hydro (BCH) are excluded from this analysis due to lack of data availability; their exclusion from the study may overstate the magnitude of flexibility challenges, particularly if the flexibility of the hydro system in British Columbia could be used to facilitate renewable integration 

Page 16: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xii | 

 

This  study begins with a conservative assumption  that exchange between any 

two  regions  is  limited  to  the  range  that has been observed historically  rather 

than the full physical capability of the transmission system that links them. This 

approach  serves  three  purposes:  (1)  it  serves  as  a  proxy  for  the  many 

institutional constraints  that exist  in  today’s system,  in which power exchange 

between regions generally occurs on a limited and bilateral basis; (2) it helps to 

isolate  the  renewable  integration  challenge  in  each  region  in  order  to 

characterize each fleet’s ability to  integrate  its own renewable portfolio rather 

than relying on the flexibility and diversity of the entire Western system; and (3) 

it  provides  a  useful  counterfactual  to  a  scenario  in  which  limits  on  the 

transmission  system  are  relaxed  to  their  full  physical  capability,  allowing  this 

study to highlight the value that could be achieved through centralized dispatch 

of all resources in the WECC region.4  

Two  renewable  portfolios  are  examined within  the  flexibility  assessment  for 

each region. The first, shown  in Figure 4a,  is based on the 2024 Common Case 

developed  by  WECC’s  Transmission  Expansion  Planning  Policy  Committee 

(TEPPC)  and  represents  a penetration of  renewable  generation  that  is  largely 

consistent  with  state  RPS  targets  current  as  of  2014;5  analysis  of  this  case 

                                                            4 Increased regional coordination is one of the integration “solutions” examined in this report, and this contrast provides the underlying method through which its value is characterized. 5 At the time of the development of the 2024 Common Case database and the start of this study, California’s RPS policy remained at 33%. With the increase to a 50% target by 2030, the Common Case is no longer indicative of current policy in that region but still provides a useful point of reference for its near‐term relevance. 

Page 17: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xiii |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

provides a means of validating  the model as well as an  indication of potential 

flexibility  challenges  that  could  emerge  under  existing  policy.  The  second 

portfolio studied  is a “High Renewables Case,” whose composition  is shown  in 

Figure 4b. The penetrations chosen for study in the High Renewables Case were 

intentionally  chosen  to  be  high  enough  to  cause  significant  changes  in 

operations, and  to ensure  that  flexibility challenges would result, allowing  this 

study to characterize renewable integration challenges that may emerge above 

current policy levels. 

Figure 4. Renewable portfolios analyzed in the flexibility assessment

 

Page 18: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xiv | 

 

 

Nature of Regional Renewable Integration Challenges

Because the penalty prices for unserved energy and curtailment prioritize  load 

service over the delivery of renewable generation, renewable curtailment is the 

key  indicator  of  a  system  that  is  constrained  in  its  ability  to  integrate 

renewables.  Curtailment  can  occur  due  to  simple  oversupply—where  the 

generation  available  exceeds  the  load—or  as  a  means  to  ensure  reliable 

operations  in  the presence of dispatch  flexibility constraints. REFLEX produces 

many  metrics  that  are  useful  for  understanding  how  high  penetrations  of 

renewables impact a system; however, this study uses renewable curtailment as 

the key indicator of flexibility constraints for each case. 

Table 1 summarizes the renewable curtailment observed in each region for the 

renewable portfolios examined.  In the Common Case, the extent of renewable 

curtailment  experienced  across  the  Western  Interconnection  is  limited—it 

constitutes less than 0.1% of the available renewable energy. In contrast, in the 

High Renewables Case, renewable curtailment appears routinely and represents 

a  large share of the available renewable generation. The specific nature of the 

challenges differ  across  regions—each  a unique  result of  the  region’s distinct 

renewable portfolio, the characteristics of  its conventional generators, and the 

profile of its loads. 

Page 19: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xv |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

Table 1. Renewable curtailment observed in the Common Case and High Renewables Case (% of annual generation)

Scenario Basin California Northwest Rockies Southwest WECC‐US

Common Case  0.01%  0.00%  0.06%  0.13%  0.00%  0.02% 

High Ren Case  0.4%  8.7% 5.6% 0.6%  7.3% 6.4%

In  the  High  Renewables  Case,  renewable  curtailment  is  most  prevalent  in 

California and  is driven by a phenomenon  that has been well‐characterized  in 

past studies of renewable integration: because solar PV resources produce only 

during daylight hours, a  large share of the generation  in California’s renewable 

portfolio is concentrated in the middle of the day. The high daytime renewable 

production exerts pressure on the non‐renewable fleet to reduce  its output to 

low  levels,  but  non‐renewable  generation  is  limited  in  its  ability  to  do  so  by 

inflexibility  (especially  for  must‐run  resources  like  nuclear  &  cogeneration), 

minimum  generation  constraints,  and  the  need  to  carry  contingency  and 

flexibility reserves. The result of this dynamic is a regular daily pattern of midday 

renewable curtailment  illustrated  in Figure 5, which shows a typical spring day 

in California in the High Renewables Case.  

Page 20: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xvi | 

Figure 5. Typical spring day, California, High Renewables Case6

 

The Southwest also experiences a large volume of renewable curtailment in the 

High  Renewables  Case. Much  like  California,  the  Southwest  relies  heavily  on 

solar PV resources  in the High Renewables Case and, as a result, experiences a 

similar diurnal oversupply phenomenon. Figure 6 presents a typical spring day in 

the  Southwest  in  which  many  of  the  same  elements  that  characterize  the 

California  challenge  are  apparent:  large  diurnal  net  load  ramps  that  coincide 

with sunrise and sunset and a mid‐day period of renewable curtailment when all 

dispatchable resources have been reduced to their lowest output.  

                                                            6 Note that this study reports all results  in Pacific Standard Time; all plots that show hourly results use the PST convention. 

Page 21: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xvii |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

Figure 6. Typical spring day, Southwest, High Renewables Case

 

Notwithstanding  these  similarities,  the  Southwest  does  have  an  important 

distinguishing characteristic from California: its reliance on coal generation for a 

large share of its installed capacity. Historically, the coal fleet in this region has 

operated  largely  in  a  baseload  capacity,  ramping  and  cycling  with  limited 

frequency.  The  ability  to  operate  the  coal  fleet  more  flexibly  during  high 

renewable output days  is a  key  strategy  to  facilitate  renewable  integration  in 

the Southwest and in other regions that rely on coal generation today.  

The  third  region  that  experiences  significant  quantities  of  renewable 

curtailment in the High Renewables Case is the Northwest; though oversupply is 

its primary cause, the nature of the oversupply is entirely unique to that region. 

The Northwest  is characterized by  its  large hydroelectric  fleet, and during  the 

spring runoff season, during average and wet hydro years, the Northwest hydro 

Page 22: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xviii |

system  is capable of meeting most or all of the Northwest’s energy needs on a 

day‐to‐day  basis. Adding wind  generation  to  that  system  during  that  time  of 

year  results  in  an  excess  supply  of  zero‐marginal‐cost  generation.  Such 

oversupply events have already been experienced  in parts of the Northwest  in 

2010‐2012 when surplus hydro conditions, combined with dispatch inflexibility, 

led to wind curtailment.7 With the addition of large amounts of wind generation 

in  the  High  Renewables  Case,  the  oversupply  during  the  spring  runoff  is 

intensified. An example of such a day is shown in Figure 7. 

Figure 7. Typical spring day, Northwest, High Renewables Case

 

                                                            7 In recognition of this phenomenon, the Bonneville Power Administration (BPA) has developed an “Oversupply Management Protocol” to allow for prudent management of generation resources during oversupply conditions. 

Page 23: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xix |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

Spring  days  are  chosen  to  highlight  flexibility  challenges  because  the  spring 

months  (March  through  June)  represent  the  most  challenging  periods  for 

renewable  integration throughout the West. The combination of relatively  low 

loads,  high  hydro  system  output,  and  high  renewable  output  results  in  a 

concentration of oversupply during  this period of  the year. Figure 8  illustrates 

the  diurnal  and  seasonal  trends  in  renewable  curtailment  for  these  three 

regions  through  heat  maps  that  display  the  average  amount  of  renewable 

curtailment  in  each month‐hour.  The  similarities  between  California  and  the 

Southwest  are  immediately  evident:  throughout  the  year,  curtailment  is 

concentrated in the middle of the day, driven by the solar PV oversupply in each 

region.  This oversupply  is  greatest  in  the  spring  and  smallest  in  the  summer, 

when each region’s  loads are highest due to high cooling  loads and can absorb 

higher quantities of  solar PV output. The  seasonal  trend  in  the Northwest, by 

contrast, is more closely linked to the spring runoff from the hydro system and 

its  interaction with  a wind‐heavy  renewable  fleet, which  leads  to  renewable 

curtailment at all hours  in  the  spring but  is most  concentrated at night when 

wind output is high and loads are low.  

Page 24: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xx | 

Figure 8. Seasonal and diurnal patterns of renewable curtailment, High Renewables Case

 

The dramatic  increase  in curtailment observed  in these three regions between 

the Common Case and the High Renewables Case is indicative of a phenomenon 

that  is  highly  nonlinear.  In  the  absence  of mitigation measures,  curtailment 

grows at an  increasing rate as renewable penetration climbs. For example, the 

marginal  curtailment  for a new  solar PV  resource  (i.e.  the next  solar  resource 

(a) Northwest1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Scale (MW)

Jan 4,000

Feb

Mar

Apr

May

Jun

Jul

Aug

Sep

Oct

Nov

Dec 0

(b) California1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Scale (MW)

Jan 16,000

Feb

Mar

Apr

May

Jun

Jul

Aug

Sep

Oct

Nov

Dec 0

(c) Southwest1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Scale (MW)

Jan 7,000

Feb

Mar

Apr

May

Jun

Jul

Aug

Sep

Oct

Nov

Dec 0

8,000

2,000

3,500

Page 25: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xxi |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

built on top of the portfolios described here) in California is between 50‐60%—

that is, in excess of half of its available energy would not be able to be delivered 

to  the  California  system—a  figure  substantially  higher  than  the  average 

curtailment of 9%. 

In contrast to California and the Northwest and Southwest regions, curtailment 

is  observed  in much  lower  quantities  in  both  the  Basin  and  Rocky Mountain 

regions.  What  distinguishes  the  Basin  and  Rocky  Mountain  regions  from 

California  and  the  Southwest—all  four  fleets  rely  primarily  on  dispatchable 

thermal resources to serve net load—is the amount of diversity assumed in their 

renewable portfolios. Whereas the concentration of solar PV during the middle 

of the day drives the oversupply phenomenon  in California and the Southwest, 

production  is  far  less  concentrated  during  specific  periods  of  the  year  in  the 

Basin and Rocky Mountain regions. In the Basin, this is a result of technological 

diversity  that  combines  geothermal,  solar  and  wind  resources;  in  the  Rocky 

Mountains,  it  is  the  result  of  a  portfolio  comprising  primarily wind  resources 

whose scale and geographic dispersion result  in production spread throughout 

the year. 

While  curtailment  is observed  in  limited quantities  in  these  regions, both  the 

Rocky  Mountains  and  the  Basin  region  show  dramatic  changes  in  how  the 

generation  fleets  operate  to  balance  higher  penetrations  of  renewable 

generation. A  key  driver  of  the magnitude  of  operational  challenges  in  these 

two regions is the extent of the ability of thermal generators to ramp and cycle. 

Historically,  coal  generators  have  operated  as  baseload  resources,  running  at 

high  capacity  factors  throughout  the  year.  Higher  penetrations  of  renewable 

generation will exert pressure on operators to use these units more flexibly than 

Page 26: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xxii | 

they have historically; however, there are technical, economic, and institutional 

factors that might  limit their ability to do so. The amount of flexibility that can 

be  harvested  from  the  aging  coal  fleet  is  uncertain  and  deserves  further 

attention,  but  its  implications  for  renewable  integration  are  clear:  an  electric 

system with coal generators whose flexibility is limited in day‐to‐day operations 

will experience renewable curtailment  in  larger quantities and more frequently 

than one  in which coal generation operates  flexibly. This  tradeoff  is  illustrated 

for both the Basin and Rocky Mountain regions in Figure 9. 

Figure 9. Typical spring days, Basin and Rocky Mountains, High Renewables Case (with and without limits on coal flexibility)

 

Page 27: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xxiii |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

Enabling Strategies for Renewable Integration

This  study  treats  renewable  curtailment as  the  “default  solution”  to  flexibility 

challenges  as  it  represents  a  last  recourse  for  system  operators—prior  to 

shedding  load—once  the  flexibility  of  the  existing  traditional  dispatchable 

system has been exhausted. However,  there are many options  for alternative 

strategies  that,  if  identified  and  deployed  in  advance,  can  provide  operators 

with additional flexibility and mitigate the need to curtail renewable generation. 

These  “solutions”  include  improvements  in  scheduling  and  dispatch, 

investments  in  new  flexible  generation,  and  new  demand‐side  programs. 

Investigating the full potential list of integration solutions is beyond the scope of 

this study; the solutions chosen for study herein are  intended to help  illustrate 

the types of attributes that flexibility planners may wish to consider. This study 

considers three specific measures to facilitate renewable integration: 

Increased regional coordination; 

Investments in energy storage technologies; and 

Investments in flexible gas generation. 

The  first  among  these—improving  regional  coordination  in  operations—

represents  an  institutional  improvement  to  facilitate  renewable  integration. 

Historically,  the  balkanized  Western  Interconnection  has  operated  largely 

according  to  long‐term  contractual  agreements  and  through  bilateral  power 

exchange.  “Regional  coordination”  could  represent  a  step  as  incremental  as 

improving  upon  existing  scheduling  processes  or  as  comprehensive  as  the 

consolidation  of  the  Western  Interconnection  under  a  single  centralized 

operator.  This  study  does  not  presume  the  mechanism  through  which 

Page 28: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xxiv | 

coordination occurs, but demonstrates  the value of achieving  full coordination 

by  contrasting  a  future  in  which  interregional  exchange  is  limited  to  the 

historical  range with one  in which  it  is  limited by  the  ratings of  interregional 

transmission paths, allowing fuller utilization of load and resource diversity. 

Relaxing  the  constraint  on  interregional  exchange  to  allow  the  use  of  the 

transmission  system  to  its  physical  limits  results  in  a  reduction  of  renewable 

curtailment from 6.4% to 3.0% (see Table 2). A significant share of this value  is 

derived from regions that, facing an oversupply condition that might otherwise 

require  renewable  curtailment,  are  able  to  use  the  full  capability  of  the 

transmission system to find an alternative market for their power. This impact is 

shown in Figure 10. The reduction of curtailment is largest in California—which 

is both electrically and  institutionally  close  to a market  in  the Northwest  that 

can  accommodate midday  exports  outside  of  the  spring  season—and  in  the 

Northwest—whose nighttime oversupply  finds a destination  in both California 

and the Southwest markets. Notably, the observed  impact on the Southwest  is 

lower  than  in  the prior  two  regions, as  connections with  the Basin and Rocky 

Mountains  provide  it  with  limited  export  markets  and  California’s  frequent 

simultaneous oversupply makes it an impractical market for solar surplus. 

Table 2. Comparison of regional renewable curtailment with historical and physical intertie limits imposed, High Renewables Case

Scenario Basin California Northwest Rockies Southwest

Historical Intertie Limits  0.4%  8.6%  6.1%  0.1%  7.3% 

Physical Intertie Limits  0.5%  3.1%  1.6%  0.5%  6.0% 

Difference +0.1% ‐5.6% ‐4.5% ‐0.0% ‐1.3%

 

Page 29: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xxv |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

Figure 10. Impact of increased regional coordination upon seasonal curtailment patterns.

 

(a) Basin1 24 1 24 Scale (MW)

Jan JanFeb FebMar MarApr AprMay MayJun JunJul JulAug AugSep SepOct OctNov NovDec Dec

(b) California1 24 1 24 Scale (MW)

Jan JanFeb FebMar MarApr AprMay MayJun JunJul JulAug AugSep SepOct OctNov NovDec Dec

(c) Northwest1 24 1 24 Scale (MW)

Jan JanFeb FebMar MarApr AprMay MayJun JunJul JulAug AugSep SepOct OctNov NovDec Dec

(d) Rocky Mountains1 24 1 24 Scale (MW)

Jan JanFeb FebMar MarApr AprMay MayJun JunJul JulAug AugSep SepOct OctNov NovDec Dec

(e) Southwest1 24 1 24 Scale (MW)

Jan JanFeb FebMar MarApr AprMay MayJun JunJul JulAug AugSep SepOct OctNov NovDec Dec

Historical Intertie Limits Physical Intertie Limits

0

7,000

0

4,000

0

200

3,000

2,000

1,000

150

100

50

5,250

3,500

1,750

200

0

15,000

0

150

100

50

11,250

7,500

3,750

Page 30: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xxvi | 

While desirable from a technical and economic perspective, harvesting the full 

diversity of the Western Interconnection through coordination of operations to 

integrate  renewable  generation  presents  a  significant  institutional  challenge. 

Individual utilities, balancing authorities, and planning entities may be  justified 

in examining potential investments or demand‐side programs to provide greater 

local  or  regional  operational  flexibility.  To  examine  the  potential  flexibility 

benefits of investments in new flexible resources, 6,000 MW of energy storage8 

and  new  fast‐starting,  fast‐ramping  gas  CCGTs  are  added  to  the  High 

Renewables Case in separate scenarios to quantify their impact on operations.9 

The impact of each additional resource on renewable curtailment is summarized 

in Table 3. 

Table 3. Impacts of new investments on regional renewable curtailment, High Renewables Case.

Scenario Basin California Northwest Rockies Southwest

Reference Grid  0.4%  8.7%  5.6%  0.6%  7.3% 

 +6,000 MW Storage (2hr)  0.4%  7.2%  5.7%  0.6%  6.2% 

 +6,000 MW Storage (6hr)  0.4%  5.8%  5.8%  0.6%  5.1% 

 +6,000 MW Storage (12hr)  0.4%  5.8%  5.7%  0.6%  5.1% 

 +6,000 MW Flex CCGT  0.4%  8.7%  5.6%  0.6%  7.3% 

The  primary  result  this  analysis  indicates  is  that  the  addition  of  new 

“downward”  flexibility  (e.g.  the  ability  to  charge  energy  storage)  provides 

substantially greater benefits than the addition of new “upward” flexibility (e.g. 

                                                            8 Multiple durations of energy storage resources were modeled, including 2‐hr, 6‐hr, and 12‐hr. 9 In each scenario, 4,000 MW of the candidate resource was located in California and 1,000 MW was located in both the Northwest and the Southwest. The choice of where to add storage was made on the basis of where the largest flexibility challenges were identified. 

Page 31: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xxvii |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

the ability to ramp from Pmin to Pmax very quickly), as it expands the net load 

range across which a system can operate. This analysis indicates several findings 

on the impacts of new flexibility investments: 

Energy storage provides a clear benefit  through curtailment mitigation 

in the Southwest and California. This is largely due to the fact that each 

region’s  diurnal  solar  oversupply  allows  storage  resources  to  cycle 

almost daily, charging during  the middle of  the day during curtailment 

hours and discharging in the early morning and/or evening to help meet 

solar‐driven net load ramps. 

The value of energy storage in the Northwest is limited by comparison. 

Here, where  oversupply  events  during  the  spring  runoff  persist much 

longer,  often  throughout  the  day,  there  is  a  much  more  limited 

opportunity  to  shift  generation within  the  day.10 Also,  the Northwest 

already  has  significant  intra‐day  energy  storage  capability  through  its 

existing system of hydroelectric resources. 

In all regions where new flexible gas CCGT capacity is added, the impact 

is minimal. While  further  study  is  needed,  it  appears  that  all  regions 

have  sufficient upward  ramping  capability  in  the base  system.    These 

new,  efficient  gas  resources  may  reduce  system  cost  due  to  their 

efficiency, but they do  little to reduce curtailment because they do not 

appreciably  improve  the  system‐wide  ratio  of minimum  to maximum 

generation capability. 

                                                            10 Note that the REFLEX approach of using day draws likely understates the value of storage in the Northwest, as it 

does not capture value that could be provided through inter‐day charging and discharging patterns. 

Page 32: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xxviii

While the general findings of these cases help to illustrate the attributes of new 

flexible  resources  that  provide  significant  benefits,  the  limitations  of  their 

applicability must also be understood: 

One of the underlying assumptions of the regional approach is that each 

constituent  utility  and  balancing  authority  of  a  region  makes  its 

resources  fully  available  for  optimal  dispatch  within  that  region. 

However, this assumption is optimistic for today’s electric system—one 

that is dominated by bilateral transactions—and findings that apply to a 

wholly  optimized  region may  not  be  applicable  to  individual  entities 

within it. 

The starting case  to which  the  flexible  resources are added assumes a 

significant  degree  of  flexibility  in  the  existing  thermal  system. 

Production simulation models typically do not consider  increased O&M 

costs  incurred  as  units  are  asked  to  cycle  more  frequently.  As  the 

sensitivity  on  coal  flexibility  demonstrates,  there  is  value  to  a  system 

that can operate  its  thermal units  flexibly  (i.e. can reduce  their output 

to  very  low  levels  or  turn  off),  and  to  the  extent  that  technical, 

economic, or  institutional factors prevent the coal fleet from operating 

as this study assumes, additional flexible thermal generation could have 

more value than this study identifies.  

A  critical  qualifier  for  this  analysis  is  that  each  regional  fleet  already 

meets  traditional  resource  adequacy  needs  prior  to  the  addition  of 

incremental  flexible  capacity. While  the  value  of  flexibility  alone may 

not be enough  to  justify procuring a  specific  resource, entities  should 

carefully  consider  the benefits  that  additional  flexibility  could provide 

when new system capacity is needed due to load growth, retirement of 

aging coal generation, or other factors.  

Page 33: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xxix |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

Implications and Next Steps

The  technical  findings  and  conclusions  reached  through  this  study  have  a 

number  of  implications  that  are  relevant  for  regulators  and  policymakers 

seeking  to enable higher penetrations of  renewable generation on  the system 

and to ease the associated challenges. 

1. The analysis conducted in this study identifies no technical barriers to the

achievement penetrations of renewable generation of up to 40% of total

supply in the Western Interconnection. 

In  both  the  Common  Case  and  the  High  Renewables  Case,  the  flexibility 

assessment  demonstrates  capability  of  the  electric  system  of  the  Western 

Interconnection  to  serve  loads  across  a  diverse  range  of  system  conditions. 

Further, no “need” for additional flexible capacity beyond existing and planned 

resources  is  identified  in either case. Examination of  issues relating to stability, 

adequacy  of  frequency  response,  and  the  potential  impact  of  major 

contingencies  is  beyond  the  scope  of  this  study;  however,  other  studies  to 

examine  these  topics  are  have  come  to  similar  conclusions  regarding  the 

technical feasibility of integrating high penetrations of renewable generation.11 

What does distinguish the High Renewables Case from the Common Case is the 

significant  quantity  of  renewable  curtailment  observed.  At  relatively  low 

penetrations,  renewable  generation  can  be  integrated  into  the  system 

                                                            11    See  the  Western  Wind  and  Solar  Integration  Study  –  Phase  3  (NREL  &  GE),  available  at: 

http://www.nrel.gov/electricity/transmission/western‐wind‐3.html 

Page 34: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xxx | 

effectively  with  limited  curtailment;  however,  once  a  region’s  penetration 

surpasses  a  certain  threshold,  curtailment  occurs  with  increasing  frequency. 

Renewable curtailment is characteristic of all of the High Renewables scenarios 

investigated: Figure 11  summarizes  the  range of  curtailment  frequency across 

all of these scenarios. 

Figure 11. Observed range of hourly curtailment frequency across all High Renewables scenarios in each region.

2. Routine, automated renewable curtailment is a fundamental necessity to

electric systems at high renewable penetrations, as it provides operators with

a relief valve to manage net load conditions to ensure a system can be

operated reliably at increasing penetrations.

Historically, the idea of “curtailment” has had negative connotations, but at high 

penetrations  of  renewable  generation,  it  is  a  fundamental  necessity. 

Page 35: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xxxi |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

Notwithstanding  its  cost  to  ratepayers,  renewable  curtailment  provides 

operators with  a  tool with which  to manage  the  net  load  to  ensure  reliable 

service when the flexibility of all other existing resources has been exhausted; in 

this  respect,  it  serves  as  the  “default  solution”  for  a  system  constrained  on 

flexibility. 

The role of curtailment in the operations of an electric system at high renewable 

penetrations  is  multifaceted.  In  addition  to  allowing  operators  to  mitigate 

oversupply events when generation would otherwise exceed  loads,  renewable 

curtailment  can be used  to mitigate  the  size of net  load  ramps across one or 

more  hours,  to  adjust  for  forecast  error  between  day‐ahead  and  other 

scheduling processes, and to substitute for traditional flexibility reserve services 

(including regulation). 

Because  of  the  crucial  role  of  renewable  curtailment  in  operating  electric 

systems  at  high  penetrations  of  renewables,  ensuring  that  curtailment  is 

available and can be used efficiently in day‐to‐day operations requires a number 

of steps:

Market structures and scheduling processes must be organized to

allow participation by renewable generators. Within  organized 

markets,  this means  ensuring  that  utilities  can  submit  bids  into  the 

market on behalf of renewable generators that reflect the opportunity 

cost  of  curtailing  these  resources  as well  as  ensuring  that  renewable 

plants are not excessively penalized for deviations from their schedules 

due  to  forecast  errors.  In  environments  in which  vertically  integrated 

utilities  or  another  type  of  scheduling  coordinator  is  responsible  for 

determining system dispatch,  the operator must begin  to consider  the 

Page 36: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xxxii

role of  renewable curtailment  in scheduling and dispatch decisions  for 

both renewable and conventional resources.

Contracts between utilities and renewable facilities must be

structured to allow for economic curtailment. Historically, many power 

purchase  agreements  have  been  set  up  to  pay  renewables  for  the 

generation  that  they  produce  and  have  included  provisions  limiting 

curtailment  under  the  premise  that  limiting  risk  and  ensuring  an 

adequate  revenue  stream  to  the  project  are  necessary  to  secure 

reasonable  financing.  Compensated curtailment,  under  which 

developers are paid a PPA price both for generation that is delivered to 

the system as well for estimated generation that  is curtailed, would be 

one means of achieving this goal. 

To  the  extent  that  additional  institutional  barriers  that would  limit  operators 

from effectively dispatching renewable resources exist, these barriers must also 

be addressed to allow for renewable integration at higher penetrations. 

3. Another key step to enabling reliable and efficient operations under high

penetrations is ensuring operators fully understand the conditions and

circumstances under which renewable curtailment is necessary or desirable.

In some instances—namely, during oversupply conditions—the need to curtail is 

relatively  intuitive;  however,  in  other  instances,  the  important  role  of 

curtailment may  not  be  so  obvious.  For  example,  an  operator  faced  with  a 

choice between keeping a specific coal unit online and curtailing renewables or 

decommitting  that  coal  unit  to  allow  additional  renewable  generation  should 

make that decision with knowledge of the confidence in the net load forecast as 

well  as  an  understanding  of  the  consequences  of  possible  forecast  errors. 

Similarly, an operator anticipating a large upward net load ramp may decide to 

Page 37: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xxxiii |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

curtail renewable generation prospectively to spread the ramp across a  longer 

duration  if  the  ramp  rates  of  conventional  dispatchable  units  are  limited. 

Additional work is necessary to identify such operating practices and conditions 

in  which  renewable  curtailment  may  be  necessary  outside  of  oversupply 

conditions to ensure reliable service. 

The  role of operating  reserves at avoiding unserved energy under unexpected 

upward  ramping  events must  also  be  considered.  Resources  under  governor 

response  or  Automated  Generation  Control  (AGC)  respond  quickly  to  small 

deviations  in  net  load.  Contingency  reserves  (spinning  and  supplemental  or 

“non‐spin” reserves) are used to manage large disturbances such as the sudden 

loss  of  a  generator  or  transmission  line.  Additional  categories  of  reserve 

products—for  instance,  “load  following”  or  “flexibility”  reserves—have  been 

contemplated  at  higher  renewable  penetration,  but  have  not  yet  been 

formalized.  How  these  reserves  are  deployed  will  impact  the  magnitude  of 

challenges encountered at higher renewable penetrations. 

4. The consequences of extended periods of negative pricing must be

examined and understood.

Historically,  the  centralized markets  and  bilateral  exchanges  of  the Western 

Interconnection  have,  for  the  most  part,  followed  the  variable  costs  of 

producing  power—most  often  the  costs  of  fuel  and  O&M  for  coal  and  gas 

plants.  In  a  future  in which  renewable  curtailment  becomes  routine,  forcing 

utilities to compete to deliver renewable generation to the loads to comply with 

RPS targets,  the dynamics of wholesale markets will change dramatically. How 

the  dynamics  of  negative  pricing  ultimately  play  out  remains  a  major 

Page 38: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xxxiv

uncertainty;  nonetheless,  with  frequent  low  or  negative  prices  in  a  high 

renewables  future,  utilities,  other market  participants,  and  regulators will  be 

confronted by a host of new questions: 

How should generators that provide other services to the system during 

periods of low negative prices be compensated? 

How  can  the proper  signal  for  investment  in  generation  resources be 

provided  as  frequent negative prices  further  erode margins  in  energy 

markets? 

Do negative prices create new issues for loads, who, rather than paying 

for  power  from  the wholesale market  during  periods  of  curtailment, 

would be paid to consume? 

At what point does the prevalence of negative prices lead to new policy 

mechanisms other than production quotas to promote the development 

of new renewable energy? 

How should future retail tariffs be designed to balance considerations of 

equity and cost causation with the radical changes in wholesale market 

signals? 

These  and  other  questions  will  require  consideration  as  penetrations  of 

renewables continue to increase. 

5. While renewable curtailment is identified as the predominant challenge in

operations at high renewable penetrations, its magnitude can be mitigated

through efficient coordination of operations throughout the Western

Interconnection. 

Page 39: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xxxv |© 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

The  balkanization  of  operations  today  presents  an  institutional  barrier  to 

efficient  renewable  integration;  by  allowing  full  utilization  of  the  natural 

diversity  of  loads  and  resources  throughout  the  Western  Interconnection, 

regional  coordination  offers  a  low‐hanging  fruit  to  mitigating  integration 

challenges.  A  number  of  studies  have  identified  the  significant  operational 

benefits  that  can  be  achieved  through  balancing  authority  consolidation,  a 

conclusion that  is supported by the reduction  in renewable curtailment at high 

penetrations identified in this study. 

6. Many supply‐ and demand‐side solutions merit further investigation to

understand their possible roles in a high renewable penetration electric

system.

This  study  examines  a  select  few  of  the  multitude  of  possible  supply‐  and 

demand‐side portfolio measures available to utilities to  illustrate how different 

attributes do (or do not) provide value to electric systems at high penetrations 

of  renewable  generation.  The  solutions  examined within  this  study  illustrate 

how  different  “types”  of  flexibility  impact  a  system  to  differing  degrees: 

whereas storage effectively mitigates renewable curtailment through  its ability 

to charge during periods of surplus,  fast‐ramping  flexible gas resources have a 

comparatively  limited  impact  on  operations,  displacing  less  efficient  gas 

generation resources but effecting minimal changes in curtailment. 

7. The ability of renewable curtailment to serve as an “avoided cost” of

flexibility points to an economic decision‐making framework through which

entities in the Western Interconnection can evaluate potential investments in

flexibility and ultimately rationalize procurement decisions.

Page 40: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xxxvi

As  the  need  for  operational  flexibility  has  grown,  a  number  of  efforts  have 

explored whether additional planning  standards—analogous  to  those used  for 

resource adequacy today—are necessary to ensure that when the operating day 

comes,  the generation  fleet  is sufficiently  flexible  to do serve  load  reliably. As 

this  study  demonstrates,  so  long  as  (1)  the  generation  fleet  is  capable  of 

meeting extreme peak demands, and (2) the operator can use curtailment as a 

relief  valve  for  flexibility  constraints,  the  operator  can  preferentially  dispatch 

the  system  to  avoid  unserved  energy.  Thus,  the  consequence  of  a  non‐

renewable fleet whose flexibility is inadequate to balance net load is renewable 

curtailment, whose implied cost is orders of magnitude smaller than the cost of 

unserved  energy.  In  this  respect,  the  determination  of  flexibility  adequacy  is 

entirely different from resource adequacy: for resource adequacy, conservative 

planning standards are justified on the basis of ensuring that costly outages are 

experienced exceedingly rarely; for flexibility adequacy, the appropriate amount 

of  flexibility  for a generation  system  is  instead an economic balance between 

the  costs of  “inadequacy”  (renewable  curtailment) and  the  costs of procuring 

additional flexibility.

Because renewable curtailment can serve as an “avoided cost” of flexibility, the 

question of “flexibility adequacy” is economic, rather than technical. Renewable 

curtailment  imposes a cost upon ratepayers, reflected  in this study by the  idea 

of  the  “replacement  cost,”  and,  to  the  extent  it  can  be  reduced  through 

investments  in  flexibility,  its  reduction provides benefits  to  ratepayers. At  the 

same  time,  designing  and  investing  in  an  electric  system  that  is  capable  of 

delivering all renewable generation to loads at high penetrations is, itself, cost‐

prohibitive. Between these two extremes  is a point at which the costs of some 

new  investments  or  programs  that  provide  flexibility may  be  justified  by  the 

Page 41: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

 

  

 Executive Summary 

P a g e  | xxxvii © 2015 Energy and Environmental Economics, Inc. 

curtailment  they avoid, but  the  cost of  further  investments would exceed  the 

benefits. This idea is illustrated in Figure 12, which shows the tradeoff between 

the  costs  of  renewable  curtailment  with  the  costs  of  a  possible  theoretical 

measure  undertaken  to  avoid  it.  This  study  provides  both  an  example  of  the 

type of analytical exercise that could be performed to quantify the operational 

benefits  of  flexibility  solutions  as  well  as  a  survey  of  the  analytical 

considerations  and  tradeoffs  that  must  be  made  in  undertaking  such  an 

exercise. 

Figure 12. Illustration of an economic framework for flexibility investment.

While  not  performed  in  the  context  of  this  study,  this  type  of  economic 

assessment of flexibility solutions to support renewables integration will depend 

on  rigorous  modeling  of  system  operations  combined  with  accurate 

representation of  the  costs and non‐operational benefits of various  solutions. 

The  specific  types  of  investments  to  enable  renewable  integration  that  are 

Page 42: Western Interconnection Flexibility Assessment · 2016-01-14 · 101 Montgomery Street, Suite 1600 San Francisco, CA 94104 415.391.5100 Project Team: Nick Schlag, Arne Olson, Elaine

  

 

  Western Interconnection Flexibility Assessment

P a g e  |  xxxviii

found necessary will vary from one jurisdiction to the next, but the overarching 

framework  through which  those necessary  investments  are  identified may be 

consistent. Implementation of such an economic framework for decision‐making 

for  flexibility will  foster  the  transition  to high renewable penetration, enabling 

the  achievement  of  policy  goals  and  decarbonization  while  mitigating  the 

ultimate impacts of those changes to the quality and cost of service received by 

ratepayers.